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DE102020105214A1 - Vibronischer Multisensor - Google Patents

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DE102020105214A1
DE102020105214A1 DE102020105214.6A DE102020105214A DE102020105214A1 DE 102020105214 A1 DE102020105214 A1 DE 102020105214A1 DE 102020105214 A DE102020105214 A DE 102020105214A DE 102020105214 A1 DE102020105214 A1 DE 102020105214A1
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DE
Germany
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unit
membrane
medium
received signal
process variable
Prior art date
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Pending
Application number
DE102020105214.6A
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English (en)
Inventor
Sergey Lopatin
Jan Schleiferböck
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Endress and Hauser SE and Co KG
Original Assignee
Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Endress and Hauser SE and Co KG filed Critical Endress and Hauser SE and Co KG
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Priority to PCT/EP2021/052001 priority patent/WO2021170339A1/de
Priority to EP21702474.4A priority patent/EP4111144B1/de
Priority to US17/907,808 priority patent/US20230100159A1/en
Priority to CN202180014421.8A priority patent/CN115104008A/zh
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) sowie ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung von zumindest einer Prozessgröße (P) eines Mediums (M). Die Vorrichtung umfasst eine Sensoreinheit (2) mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit (4), zumindest einer Reflektionseinheit (10a,10b), und einem piezoelektrischen Element (5), welches an der Membran (8) befestigt ist, und eine Elektronik (6). Die Vorrichtung (1) ist dazu ausgestaltet, die mechanisch schwingfähige Einheit (4) mittels eines Anregesignals zu mechanischen Schwingungen anzuregen, die mechanischen Schwingungen der schwingfähigen Einheit (4) zu empfangen und in ein erstes Empfangssignal umzuwandeln, ein Sendesignal auszusenden, und ein zweites Empfangssignals zu empfangen, und die Elektronik (6) ist dazu ausgestaltet, anhand des ersten und/oder zweiten Empfangssignals die zumindest eine Prozessgröße des Mediums (M) zu bestimmen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung von zumindest einer Prozessgröße eines Mediums umfassend eine Sensoreinheit mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit und mit einer Elektronik. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung der zumindest einen Prozessgröße des Mediums. Das Medium befindet sich in einem Behältnis, beispielsweise in einem Behälter oder in einer Rohrleitung.
  • Vibronische Sensoren finden vielfach Anwendung in der Prozess- und/oder Automatisierungstechnik. Im Falle von Füllstandsmessgeräten weisen sie zumindest eine mechanisch schwingfähige Einheit, wie beispielsweise eine Schwinggabel, einen Einstab oder eine Membran auf. Diese wird im Betrieb mittels einer Antriebs-/Empfangseinheit, häufig in Form einer elektromechanischen Wandlereinheit, zu mechanischen Schwingungen angeregt, welche wiederum beispielsweise ein piezoelektrischer Antrieb oder ein elektromagnetischer Antrieb sein kann. Entsprechende Feldgeräte werden von der Anmelderin in großer Vielfalt hergestellt und beispielsweise unter der Bezeichnung LIQUIPHANT oder SOLIPHANT vertrieben. Die zugrundeliegenden Messprinzipien sind im Prinzip aus einer Vielzahl von Veröffentlichungen bekannt. Die Antriebs-/Empfangseinheit regt die mechanisch schwingfähige Einheit mittels eines elektrischen Anregesignals zu mechanischen Schwingungen an. Umgekehrt kann die Antriebs-/Empfangseinheit die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit empfangen und in ein elektrisches Empfangssignal umwandeln. Bei der Antriebs-/Empfangseinheit handelt es sich entsprechend entweder um eine separate Antriebseinheit und eine separate Empfangseinheit oder um eine kombinierte Antriebs-/Empfangseinheit.
  • Dabei ist die Antriebs-/Empfangseinheit in vielen Fällen Teil eines rückgekoppelten elektrischen Schwingkreises, mittels welchem die Anregung der mechanisch schwingfähigen Einheit zu mechanischen Schwingungen erfolgt. Beispielsweise muss für eine resonante Schwingung die Schwingkreisbedingung, gemäß welcher der Verstärkungsfaktor ≥1 ist und alle im Schwingkreis auftretenden Phasen ein Vielfaches von 360° ergeben, erfüllt sein. Zur Anregung und Erfüllung der Schwingkreisbedingung muss eine bestimmte Phasenverschiebung zwischen dem Anregesignal und dem Empfangssignal gewährleistet sein. Deshalb wird häufig ein vorgebbarer Wert für die Phasenverschiebung, also ein Sollwert für die Phasenverschiebung zwischen dem Anregesignal und dem Empfangssignal eingestellt. Hierfür sind aus dem Stand der Technik unterschiedlichste Lösungen, sowohl analoge als auch digitale Verfahren, bekannt geworden, wie beispielsweise in den Dokumenten DE102006034105A1 , DE102007013557A1 , DE102005015547A1 , DE102009026685A1 , DE102009028022A1 , DE102010030982A1 oder DE00102010030982A1 beschrieben.
  • Sowohl das Anregesignal als auch das Empfangssignal sind charakterisiert durch ihre Frequenz ω, Amplitude A und/oder Phase Φ. Entsprechend werden Änderungen in diesen Größen üblicherweise zur Bestimmung der jeweiligen Prozessgröße herangezogen. Bei der Prozessgröße kann es sich beispielsweise um einen Füllstand, einen vorgegebenen Füllstand, oder auch um die Dichte oder die Viskosität des Mediums, sowie um den Durchfluss handeln. Bei einem vibronischen Grenzstandschalters für Flüssigkeiten wird beispielsweise unterschieden, ob die schwingfähige Einheit von der Flüssigkeit bedeckt ist oder frei schwingt. Diese beiden Zustände, der Freizustand und der Bedecktzustand, werden dabei beispielsweise anhand unterschiedlicher Resonanzfrequenzen, also anhand einer Frequenzverschiebung, unterschieden.
  • Die Dichte und/oder Viskosität wiederum lassen sich mit einem derartigen Messgerät nur ermitteln, wenn die schwingfähige Einheit vollständig vom Medium bedeckt ist. Im Zusammenhang mit der Bestimmung der Dichte und/oder Viskosität sind ebenfalls unterschiedliche Möglichkeiten aus dem Stand der Technik bekannt geworden, wie beispielswiese die in den Dokumenten DE10050299A1 , DE102007043811A1 , DE10057974A1 , DE102006033819A1 , DE102015102834A1 oder DE102016112743A1 offenbarten.
  • Mit einem vibronischen Sensor lassen sich entsprechend mehrere Prozessgrößen bestimmen und für eine Charakterisierung des jeweiligen Prozesses heranziehen. In vielen Fällen werden für eine umfassende Prozessüberwachung und/oder -kontrolle allerdings weitere Informationen über den Prozess, insbesondere Kenntnis über weitere physikalische und/oder chemische Prozessgrößen und/oder -parameter benötigt. Dies kann beispielsweise durch die Integration weiterer Feldgeräte in den jeweiligen Prozess erreicht werden. Dann können die von den verschiedenen Messgeräten zur Verfügung gestellten Messwerte in einer den Geräten übergeordneten Einheit geeignet weiterverarbeitet werden.
  • So ist aus der bisher unveröffentlichten internationalen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen PCT/EP2019/064724 ein vibronischer Multisensor bekannt geworden, welcher zwei Messprinzipien - das vibronischer Messprinzip und das Ultraschall-Messprinzip - in einer einzigen Vorrichtung miteinander verbindet. Die Sensoreinheit führt einerseits mechanische Schwingungen aus; zudem wird ein Sendesignal ausgesendet. In Reaktion auf die mechanischen Schwingungen und auf das Sendesignal werden zwei Empfangssignale empfangen und hinsichtlich zumindest zwei unterschiedlicher Prozessgrößen ausgewertet. Die beiden Empfangssignale können dabei vorteilhaft unabhängig voneinander ausgewertet werden.
  • Ausgehend vom genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Aufbau eines derartigen Multisensors zu vereinfachen.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch die Vorrichtung nach Anspruch 1 sowie durch das Verfahren nach Anspruch 10.
  • Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung von zumindest einer Prozessgröße eines Mediums umfassend eine Sensoreinheit mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit, zumindest einer Reflektionseinheit, und einem piezoelektrischen Element, welches an der Membran befestigt ist, und eine Elektronik. Die Vorrichtung ist dazu ausgestaltet, die mechanisch schwingfähige Einheit mittels eines Anregesignals zu mechanischen Schwingungen anzuregen, die mechanischen Schwingungen der schwingfähigen Einheit zu empfangen und in ein erstes Empfangssignal umzuwandeln, ein Sendesignal auszusenden, und ein zweites Empfangssignals zu empfangen, und die Elektronik ist dazu ausgestaltet, anhand des ersten und/oder zweiten Empfangssignals die zumindest eine Prozessgröße des Mediums zu bestimmen.
  • Das zumindest eine piezoelektrische Element dient einerseits als Antriebs-/Empfangseinheit zur Erzeugung der mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit mittels des Anregesignals. Diese mechanischen Schwingungen werden im Falle, dass die schwingfähige Einheit von Medium bedeckt ist, von den Eigenschaften des Mediums beeinflusst, so dass anhand des ersten Empfangssignals, welches die Schwingungen der schwingfähigen Einheit repräsentiert, eine Aussage über eine Prozessgröße generierbar ist.
  • Das piezoelektrische Element dient andererseits aber auch zur Erzeugung eines Sendesignals, welches in Form des zweiten Empfangssignals empfangen wird. Bei dem Sendesignal handelt es sich insbesondere um ein akustisches Signal. Wenn das Sendesignal auf seinem Weg zumindest zeitweise und abschnittsweise das Medium durchläuft, wird es ebenfalls durch die physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften des Mediums beeinflusst und kann entsprechend zur Bestimmung einer Prozessgröße des Mediums herangezogen werden.
  • Somit ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich, zumindest zwei Messprinzipien in einer einzigen Vorrichtung zu realisieren. Die Sensoreinheit führt einerseits mechanische Schwingungen in Reaktion auf das Anregesignal aus; zudem wird ein Sendesignal ausgesendet. Anhand der zwei unabhängig voneinander auswertbaren Empfangssignale können dann eine oder mehrere, vorzugsweise zwei unterschiedliche, Prozessgrößen bestimmt werden. Die Möglichkeiten bei der Prozessgrößenbestimmung entsprechen den in der bisher unveröffentlichten internationalen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen PCT/EP2019/064724 beschriebenen, auf welche Patentanmeldung im Rahmen der vorliegenden Anmeldung vollumfänglich Bezug genommen wird.
  • Vorteilhaft kann der erfindungsgemäße Multisensor mit einem einzigen piezoelektrischen Element realisiert werden. Dies reduziert die Anzahl notwendiger elektrischer Zuleitungen. Das Ergebnis ist ein kostengünstiger Sensor, welcher hohen Sicherheitsanforderungen genügt, ein hohes Maß an Zuverlässigkeit gewährleistet und einen weiten Applikationsbereich abdeckt.
  • In einer Ausgestaltung der Vorrichtung ist die Reflektionseinheiten dazu ausgestaltet, das Sendesignal zu dem piezoelektrischen Element zurück zu reflektieren. Das Sendesignal gelangt somit von dem piezoelektrischen Element zu der Reflektionseinheit und wird an dieser reflektiert. Es ist von Vorteil, wenn die Reflektionseinheit derart ausgestaltet und/oder angeordnet ist, dass sie dem piezoelektrischen Element gegenüber liegt. Die Reflektionseinheit kann im Bereich der schwingfähigen Einheit aber auch davon separiert angeordnet sein. Vorzugsweise ist die Reflektionseinheit an eine gewählte Ausgestaltung für die schwingfähige Einheit angepasst.
  • Eine weitere Ausgestaltung beinhaltet, dass die Vorrichtung eine Einheit zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Temperatur des Mediums umfasst, wobei die Einheit zur Bestimmung und/oder Überwachung der Temperatur insbesondere einen Temperatursensor in Form eines Widerstandselements oder eines Thermoelements umfasst. In diesem Zusammenhang sei auf die bisher unveröffentlichte deutsche Patentanmeldung 102019116150.9 verwiesen, in welcher zahlreiche mögliche Ausgestaltungen für einen derartigen Multisensor mit Temperaturbestimmungseinheit angegeben sind, und auf welche im Rahmen der vorliegenden Anmeldung ebenfalls vollumfänglich Bezug genommen wird.
  • Vorzugsweise ist die Einheit in einem Gehäuse der Vorrichtung angeordnet, welches Gehäuse in einem Endbereich mit der Membran abschließt. Auf diese Weise kann eine gute thermische Ankopplung an den Prozess erreicht werden.
  • Alternativ zu einer separaten Einheit zur Temperaturbestimmung ist es ebenfalls möglich, eine Überwachung der Temperatur des Mediums mittels des piezoelektrischen Elements durchzuführen, da die Kapazität eines piezoelektrischen Elements grundsätzlich temperaturabhängig ist. In diesem Falle wäre eine separate Vorrichtung zur Temperaturbestimmung nicht erforderlich.
  • Bei der mechanisch schwingfähigen Einheit handelt es sich beispielsweise um eine Membran, einen Einstab, oder eine Anordnung einer Membran mit zumindest zwei daran angeformten Schwingelementen, insbesondere um eine Schwinggabel. Je nach Ausgestaltung der Sensoreinheit kann auch das Aussenden des Sendesignals in Form eines Ultraschallsignals, ebenso wie das Anregesignal, zu einer mechanischen Schwingung im Bereich der Sensoreinheit, insbesondere zu mechanischen Schwingungen der Membran, führen. Diese durch das Sendesignal hervorgerufenen ersten Schwingungen betreffen aber von den durch das Anregesignal hervorgerufenen Schwingungen zu unterscheidende zweite Schwingungen, insbesondere handelt es sich um zwei unterschiedliche Schwingungsmoden, und/oder sie betreffen unterschiedliche Komponenten der Sensoreinheit, z. B. betrifft das Sendesignal die Membran und das Anregesignal die Schwingelemente. Es ist somit ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass bei gleichzeitiger Reduktion notwendiger Komponenten dennoch gewährleistbar ist, dass unabhängig von der Ausgestaltung der schwingfähigen Einheit das Sendesignal die Auswertung des ersten, in Reaktion auf das Anregesignal erfassten, ersten Empfangssignals nicht beeinflusst. Umgekehrt hat auch das Anregesignal keinen Einfluss auf das Anregesignal.
  • In einer Ausgestaltung der Vorrichtung weist die mechanisch schwingfähige Einheit eine Membran und zwei an der Membran angeformte Schwingstäbe auf, wobei die Reflektionseinheit zumindest abschnittsweise senkrecht zu den Schwingstäben ausgerichtet ist, und wobei das piezoelektrische Element in einem den Schwingstäben abgewandten Bereich der Membran an der Membran befestigt ist.
  • Es ist von Vorteil, wenn zumindest zwei Reflektionseinheiten vorhanden sind, welche jeweils in einem der Membran abgewandten Endbereich an die Schwingstäbe angeformt sind. Das Sendesignal wird in diesem Fall ausgehend von dem an der Membran befestigten piezoelektrischen Element ausgesendet und verläuft entlang eines Weges parallel zu den Schwingstäben zu den Reflektionseinheiten und von dort zurück zu dem piezoelektrischen Element. Durch diese Anordnung ergibt sich eine vergleichsweise lange Wegstrecke für das Sendesignal. Aufgrund dieser vergleichsweise langen Wegestrecke lässt sich mit einem derartigen Aufbau eine hohe Messgenauigkeit erzielen.
  • Es ist weiter von Vorteil, wenn die Reflektionseinheiten quaderförmig ausgestaltet sind, wobei jeweils eine Oberfläche jeder der Reflektionseinheiten parallel zu einer dem Prozess zugewandten Oberfläche der Membran ausgerichtet ist. Das Sendesignal wird in diesem Falle an der parallel zur Oberfläche der Membran ausgerichteten Oberfläche der Reflektionseinheiten reflektiert.
  • Es ist ebenfalls von Vorteil, wenn die Reflektionseinheiten ausgehend von den Schwingstäben einander zugewandt ausgerichtet sind. Die Reflektionseinheiten verlaufen vorzugsweise ausgehend von dem jeweiligen Schwingstab radial nach innen bezogen auf einen Mittelpunkt der dem Prozess zugewandten Oberfläche der Membran.
  • Vorzugsweise ist auf den Reflektionseinheiten zumindest im Bereich einer der Membran zugewandten Oberfläche jeweils eine reflektierende Beschichtung aufgebracht. Die reflektierende Beschichtung umfasst insbesondere ein Material mit hoher akustischer Impedanz, vorzugsweise mit einer akustischen Impedanz, welcher größer ist als diejenige des Mediums. Beispielsweise kann die schwingfähige Einheit aus einem Kunststoff und die Beschichtung aus einem Metall, wie Edelstahl, Bronze, oder Aluminium, gefertigt sein. Es ist von Vorteil, wenn im Bereich der schwingfähigen Einheit eine sprungartige Änderung der akustischen Impedanz auftritt.
  • Es ist also nicht notwendig, die Reflektionseinheiten vollständig aus einem reflektierenden Material zu bilden. Vielmehr kann das Material zur Herstellung der Reflektionseinheiten an das der Schwingstäbe angepasst sein. Es reicht vielmehr eine reflektierende Beschichtung, welche vorzugsweise zumindest in einem Teilbereich der Oberfläche der Reflektionseinheiten, welche der dem Prozess zugewandten Oberfläche der Membran zugewandt ist, aus.
  • Schließlich ist es von Vorteil, wenn eine Summe der beiden der Membran zugewandten Oberflächen der beiden Reflektionseinheiten zumindest 20% der dem Prozess zugewandten Oberfläche der Membran und/oder des piezoelektrischen Elements beträgt. Vorzugsweise weist das piezoelektrische Element einen Querschnitt auf, welcher kleiner gleich dem Durchmesser der dem Prozess zugewandten Oberfläche der Membran entspricht. Auf diese Weise kann eine ausreichende Reflektion und ein ausreichendes Signal-zu-Rauschverhältnis erzielt werden.
  • Es ist ebenfalls möglich, die Vorrichtung ferner mit einer Einheit zur Bestimmung und/oder Überwachung eines Drucks und/oder eine Einheit zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Leitfähigkeit und/oder Kapazität des Mediums zu versehen. Durch die Implementierung weiterer Messprinzipien in einem einzigen Sensor können der Applikationsbereich sowie die Messgenauigkeit, Verfügbarkeit und/oder Zuverlässigkeit des Sensors noch weiter verbreitert bzw. erhöht werden.
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nach zumindest einer der beschriebenen Ausgestaltungen, wobei
    • - eine Sensoreinheit mittels eines Anregesignals zu mechanischen Schwingungen angeregt wird,
    • - die mechanischen Schwingungen von der Sensoreinheit empfangen und in ein erstes Empfangssignal umgewandelt werden,
    • - von der Sensoreinheit ein Sendesignal ausgesendet und ein zweites Empfangssignal empfangen wird, und
    • - anhand des ersten und/oder zweiten Empfangssignals die zumindest eine Prozessgröße ermittelt wird.
  • Es ist einerseits denkbar, dass die Sensoreinheit gleichzeitig mittels des Anregesignals und mittels des Sendesignals beaufschlagt wird, wobei das Anregesignal und das Sendesignal einander überlagert werden. Alternativ kann die Sensoreinheit aber auch abwechselnd mittels des Anregesignal und mittels des Sendesignals beaufschlagt werden.
  • Bei dem Anregesignal handelt es sich beispielsweise um ein elektrisches Signal mit zumindest einer vorgebbaren Frequenz, insbesondere um ein sinusförmiges oder um ein rechteckförmiges Signal. Vorzugsweise wird die mechanisch schwingfähige Einheit, welche Teil der Sensoreinheit ist, zumindest zeitweise zu Resonanzschwingungen angeregt. Die mechanischen Schwingungen werden durch das die schwingfähige Einheit umgebende Medium beeinflusst, so dass anhand eines die Schwingungen repräsentierenden Empfangssignals Rückschlüsse auf verschiedene Eigenschaften des Mediums möglich sind.
  • Bei dem Sendesignal handelt es sich bevorzugt um ein, insbesondere gepulstes, Ultraschallsignal, insbesondere um zumindest einen Ultraschallpuls. Als zweites angewendetes Messverfahren wird demnach im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Ultraschall-basierte Messung, insbesondere nach dem Laufzeitprinzip, durchgeführt. Das jeweils ausgesendete Sendesignal durchläuft zumindest teilweise das Medium und wird von diesem in seinen Eigenschaften beeinflusst. Entsprechend können anhand des jeweils empfangenen zweiten Empfangssignals ebenfalls Rückschlüsse auf verschiedene Medien gezogen werden.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist eine Vielzahl unterschiedlicher Prozessgrößen mittels unterschiedlicher Messprinzipien ermittelbar. Unterschiedliche Prozessgrößen lassen sich vorteilhaft unabhängig voneinander bestimmen, so dass eine umfassende Analyse des jeweiligen Prozesses mittels eines einzigen Messgeräts ermöglicht wird. Dadurch, dass dieselbe Sensoreinheit für mehrere Messverfahren zum Einsatz kommt, kann darüber hinaus die Genauigkeit und/oder Zuverlässigkeit der Messungen deutlich erhöht werden. Darüber hinaus kann anhand der verschiedenen Messprinzipien eine Zustandsüberwachung der Vorrichtung vorgenommen werden. In dieser Hinsicht sind zahlreiche Ausgestaltungen für das erfindungsgemäße Verfahren möglich, von denen einige bevorzugte Varianten nachfolgend angegeben werden.
  • Eine Ausgestaltung des Verfahrens beinhaltet, dass die Temperatur des Mediums bestimmt wird. In dieser Hinsicht ist es von Vorteil, wenn ein Einfluss der Temperatur des Mediums auf zumindest das erste und/oder zweite Empfangssignal oder zumindest eine aus einem Empfangssignal abgeleiteten Prozessgröße kompensiert wird.
  • Eine andere Ausgestaltung beinhaltet, dass zumindest zwei unterschiedliche Prozessgrößen ermittelt werden, wobei eine erste Prozessgröße anhand des ersten Empfangssignals ermittelt wird, und wobei eine zweite Prozessgröße anhand des zweiten Empfangssignals ermittelt wird.
  • Eine weitere besonders bevorzugte Ausgestaltung beinhaltet, dass es sich bei der zumindest einen Prozessgröße um einen vorgebbaren Füllstand, die Dichte, die Viskosität, die Schallgeschwindigkeit oder eine aus zumindest einer dieser Größen abgeleitete Größe handelt. Besonders bevorzugt wird anhand des ersten Empfangssignals die Dichte des Mediums und anhand des zweiten Empfangssignals die Schallgeschwindigkeit innerhalb des Mediums bestimmt. Es versteht sich jedoch von selbst, dass neben den hier explizit genannten Prozessgrößen auch weitere Prozessgrößen und/oder -parameter, welche mittels der beiden durchgeführten Messungen zugänglich sind, ebenfalls bestimmt und für eine Charakterisierung des jeweiligen Prozesses herangezogen werden können.
  • Noch eine besonders bevorzugte Ausgestaltung beinhaltet, dass anhand des ersten und zweiten Empfangssignals und/oder anhand der ersten und zweiten Prozessgröße eine erste Konzentration einer ersten in dem Medium enthaltenen Substanz und eine zweite Konzentration einer zweiten in dem Medium enthaltenen Substanz ermittelt wird. Gemäß Stand der Technik sind für eine derartige Analyse des Mediums auf zwei unterschiedliche Substanzen hin in der Regel zwei separate Messgeräte erforderlich, welche unterschiedliche Messgrößen bereitstellen. Erfindungsgemäß kann dagegen mittels einer einzigen Vorrichtung zuverlässig eine Aussage über zwei unterschiedliche Komponenten in einem Medium getätigt werden.
  • Schließlich beinhaltet eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens, dass anhand des ersten und zweiten Empfangssignals und/oder anhand der ersten und zweiten Prozessgröße ermittelt wird, ob sich ein Ansatz an der Sensoreinheit gebildet hat und/oder ob eine Drift und/oder Alterung der Sensoreinheit vorliegt. Die beiden Empfangssignale verhalten sich üblicherweise jeweils unterschiedlich in Abhängigkeit eines Ansatzes an der Sondeneinheit, einer Drift oder einer Alterung im Bereich der Sensoreinheit. Das Vorhandensein eines Ansatzes, einer Drift oder einer Alterung kann entsprechend beispielsweise anhand einer zeitlichen Betrachtung der beiden Empfangssignale und/oder Prozessgrößen festgestellt werden. Somit kann neben einer verbesserten Messgenauigkeit eine Möglichkeit zur vorausschauenden Wartung (engl. predictive maintenance) bereitgestellt werden.
  • Es sei darauf verwiesen, dass die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschriebenen Ausgestaltungen sich mutatis mutandis auch auf das erfindungsgemäße Verfahren anwenden lassen und umgekehrt.
  • Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
    • 1: eine schematische Skizze eines vibronischen Sensors gemäß Stand der Technik, und
    • 2 beispielhafte Ausgestaltungen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • In den Figuren sind gleiche Elemente jeweils mit demselben Bezugszeichen versehen.
  • In 1 ist ein vibronischer Sensor 1 mit einer Sensoreinheit 2 gezeigt. Der Sensor verfügt über eine mechanisch schwingfähige Einheit 4 in Form einer Schwinggabel, welche teilweise in ein Medium M eintaucht, welches sich in einem Behälter 3 befindet. Die schwingfähige Einheit 4 wird mittels der Anrege-/Empfangseinheit 5 zu mechanischen Schwingungen angeregt, und kann beispielsweise durch einen piezoelektrischen Stapel- oder Bimorphantrieb sein. Andere vibronische Sensoren verfügen beispielsweise über elektromagnetische Antriebs-/Empfangseinheiten 5. Es ist sowohl möglich, eine einzige Antriebs-/Empfangseinheit 5 zu verwenden, welche zur Anregung der mechanischen Schwingungen sowie zu deren Detektion dient. Ebenso ist es aber denkbar, je eine Antriebseinheit und eine Empfangseinheit zu realisieren. Dargestellt ist in 1 ferner eine Elektronikeinheit 6, mittels welcher die Signalerfassung, -auswertung und/oder-speisung erfolgt.
  • In 2 sind beispielhafte Ausgestaltungen für eine erfindungsgemäße Sensoreinheit 2 in Form von Schwinggabeln gezeigt. Die vorliegende Erfindung ist jedoch keineswegs auf eine derartige Ausgestaltung der schwingfähigen Einheit 4 beschränkt. Die in 2a gezeigte mechanisch schwingfähige Einheit 4 umfasst zwei an einer Membran 8 angebrachte Schwingstäbe 9a,9b, welche mithin auch als Gabelzinken bezeichnet werden. Die Membran 8 ist Teil eines Gehäuses 7 des Sensors 1, in welchem beispielsweise die hier nicht gezeigte Elektronik 6 angeordnet sein kann. Vorliegend schließt das Gehäuse 7 in einem dem Medium M zugewandten Bereich mit der Membran 8 ab. Die Antriebs-/Empfangseinheit 5 ist in Form eines piezoelektrischen Elements ausgestaltet, welches im dem Medium M abgewandten Bereich an der Membran 8 befestigt ist. Das piezoelektrische Element 5 befindet sich somit innerhalb des Gehäuses 7. In den der Membran 8 abgewandten Endbereichen der Schwingstäbe 9a,9b ist jeweils eine Reflektionseinheit 10,10b angeformt, welche jeweils senkrecht zu dem jeweiligen Schwingstab 9a,9b angeordnet ist. Beide Reflektionseinheiten 10,10b sind für die gezeigte Ausgestaltung quaderförmig ausgestaltet und verlaufen ausgehend von den Schwingstäben 9a,9b radial nach innen bezogen auf einen Mittelpunkt P der dem Medium M zugewandten Oberfläche O1 der Membran 8.
  • Die Reflektionseinheiten 10a,10b sind derart angeordnet, dass eine Oberfläche O2 von jedem der beiden Reflektionseinheiten 10a,10b parallel zur dem Medium M zugewandten Oberfläche O1 der Membran 8 verläuft.
  • Die dargestellte Sensoreinheit 2 verfügt ferner über eine Einheit 11 zur Bestimmung und/oder Überwachung der Temperatur T des Mediums M, welche ebenfalls innerhalb des Gehäuses 7 angeordnet ist. Diese kann beispielsweise einen Temperatursensor in Form eines Widerstandselements oder eines Thermoelements umfassen.
  • Für die in 2a dargestellte Ausgestaltung sind beide Reflektionseinheiten 10a, 10b aus einem reflektierenden Material, beispielsweise einem Metall, gefertigt. Dies ist insbesondere im Falle einer metallischen schwingfähigen Einheit 4 von Vorteil.
  • Eine alternative Ausgestaltung ist in 2b dargestellt. Im Unterschied zu der in 2a dargestellten Ausführung ist auf jeder der beiden Reflektionseinheiten 10a,10b im Bereich der der Membran 8 zugewandten Oberfläche O2 eine reflektierende, vorzugsweise metallische Beschichtung 12a,12b aufgetragen. In diesem Falle können die Reflektionseinheiten 10a, 10b aus einem beliebigen anderen Material, vorzugsweise auf demselben Material, wie das für die Schwingstäbe 9a,9b verwendete, hergestellt sein.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Vibronischer Sensor
    2
    Sensoreinheit
    3
    Behälter
    4
    Schwingfähige Einheit
    5
    Antriebs-/Empfangseinheit
    6
    Elektronik
    7
    Gehäuse
    8
    Membran
    9a, 9b
    Schwingelemente
    10a, 10b
    Reflektionseinheiten
    11
    Einheit zur Bestimmung und/oder Überwachung der Temperatur
    12a,12b
    reflektierende Beschichtung
    M
    Medium
    P
    Prozessgröße
    T
    Temperatur
    O1
    dem Prozess zugewandte Oberfläche der Membran
    O2
    parallel zu O1 angeordnete Oberfläche der Reflektionseinheit
    P
    Mittelpunkt der Oberfläche O1 der Membran
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (15)

  1. Vorrichtung (1) zur Bestimmung und/oder Überwachung von zumindest einer Prozessgröße eines Mediums (M) umfassend eine Sensoreinheit (2) mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit (4), zumindest einer Reflektionseinheit (10a,10b), und einem piezoelektrischen Element (5), welches an der Membran (8) befestigt ist, und mit einer Elektronik (6), wobei die Vorrichtung (1) dazu ausgestaltet ist, die mechanisch schwingfähige Einheit (4) mittels eines Anregesignals zu mechanischen Schwingungen anzuregen, die mechanischen Schwingungen der schwingfähigen Einheit (4) zu empfangen und in ein erstes Empfangssignal umzuwandeln, ein Sendesignal auszusenden, und ein zweites Empfangssignals zu empfangen, und wobei die Elektronik (6) dazu ausgestaltet ist, anhand des ersten und/oder zweiten Empfangssignals die zumindest eine Prozessgröße des Mediums (M) zu bestimmen.
  2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die Reflektionseinheit (10a,10b) dazu ausgestaltet ist, das Sendesignal zu dem piezoelektrischen Element (5) zurück zu reflektieren.
  3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, umfassend eine Einheit (11) zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Temperatur (T) des Mediums (M), wobei die Einheit (11) zur Bestimmung und/oder Überwachung der Temperatur (T) insbesondere einen Temperatursensor in Form eines Widerstandselements oder eines Thermoelements umfasst.
  4. Vorrichtung nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei die mechanisch schwingfähige Einheit (4) eine Membran (8) und zwei an der Membran (8) angeformte Schwingstäbe (9a,9b) aufweist, wobei die Reflektionseinheit (10a,10b) zumindest abschnittsweise senkrecht zu den Schwingstäben (9a,9b) ausgerichtet ist, und wobei das piezoelektrische Element (5) in einem den Schwingstäben (9a,9b) abgewandten Bereich der Membran (8) an der Membran (8) befestigt ist.
  5. Vorrichtung (1) nach Anspruch 4, wobei zumindest zwei Reflektionseinheiten (10a, 10b) vorhanden sind, welche jeweils in einem der Membran (8) abgewandten Endbereich an die Schwingstäbe (9a,9b) angeformt sind.
  6. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei die Reflektionseinheiten (10a, 10b) quaderförmig ausgestaltet sind, wobei jeweils eine Oberfläche (O2) jeder der Reflektionseinheiten (10a,10b) parallel zu einer dem Prozess zugewandten Oberfläche (O1) der Membran (8) ausgerichtet ist.
  7. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der Ansprüche 4-6, wobei die Reflektionseinheiten (10a, 10b) ausgehend von den Schwingstäben (9a,9b) einander zugewandt ausgerichtet sind.
  8. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der Ansprüche 4-7, wobei auf den Reflektionseinheiten (10a,10b) zumindest im Bereich einer der Membran (8) zugewandten Oberfläche (O2) jeweils eine reflektierende Beschichtung (11a,11b) aufgebracht ist.
  9. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der Ansprüche 4-8, wobei eine Summe der beiden der Membran (8) zugewandten Oberflächen (O2) der beiden Reflektionseinheiten (10a, 10b) zumindest 20% der dem Prozess zugewandten Oberfläche (O1) der Membran (8) und/oder des piezoelektrischen Elements (5) beträgt.
  10. Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung von zumindest einer Prozessgröße eines Mediums (M) mittels einer Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei - eine Sensoreinheit (2) mittels eines Anregesignals zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, - die mechanischen Schwingungen von der Sensoreinheit (2) empfangen und in ein erstes Empfangssignal umgewandelt werden, - von der Sensoreinheit (2) ein Sendesignal ausgesendet und ein zweites Empfangssignal empfangen wird, und - anhand des ersten und/oder zweiten Empfangssignals die zumindest eine Prozessgröße ermittelt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Temperatur (T) des Mediums (M) bestimmt wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei zumindest zwei unterschiedliche Prozessgrößen ermittelt werden, wobei eine erste Prozessgröße anhand des ersten Empfangssignals ermittelt wird, und wobei eine zweite Prozessgröße anhand des zweiten Empfangssignals ermittelt wird.
  13. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 10-12, wobei es sich bei der zumindest einen Prozessgröße um einen vorgebaren Füllstand, die Dichte, die Viskosität, die Schallgeschwindigkeit oder eine aus zumindest einer dieser Größen abgeleitete Größe handelt.
  14. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 10-13, wobei anhand des ersten und zweiten Empfangssignals und/oder anhand der ersten und zweiten Prozessgröße eine erste Konzentration einer ersten in dem Medium (M) enthaltenen Substanz und eine zweite Konzentration einer zweiten in dem Medium (M) enthaltenen Substanz ermittelt wird.
  15. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 10-14, wobei anhand des ersten und zweiten Empfangssignals und/oder anhand der ersten und zweiten Prozessgröße ermittelt wird, ob sich ein Ansatz an der Sensoreinheit (2) gebildet hat und/oder ob eine Drift und/oder eine Alterung der Sensoreinheit (2) vorliegt.
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